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经典力学中的力,热,电,光四大分支中走过道路最是曲折的原是光学,其波动说与微粒说之争,数百年之间几经反复,已在物理学发展史极所罕见,最后结局之奇,却是大出所有人意料之外。
牛顿本人对光学研究之深并不亚于力学,他最早通过三棱镜的色散观察到太阳光的色散现象,制造出先进的反射望远镜。对于光的本性,牛顿是持微粒说观点的。微粒说很好地解释了光的直线传播规律,折射定理和反射定理。但胡克是持波动观点的,所谓光就象水波一圈圈地传入人眼中,这一观点也得到当时法国的大物理学家惠更斯的认同。
第一场大论战就此爆发。牛顿先发制人,一下子扼住了波动说的要害,波动说首先不能说明光直线传播,因为波的衍射现象是人所共知的,光线却何尝能够绕过障碍物,照到阴影中去?其二也不能解释光的偏振现象。
惠更斯也不甘示弱,指出光如果真的是微粒一类的东西,就会象飞行的子弹一般相互碰撞,传播方向首先就确定不了,而且惠更斯借助包络作图法成功地解释了波的折射现象,但牛顿对此视而不见,当时他与胡克的成见甚深,凡是胡克拥持的观点他都不遗余力地加以反对。其实微粒、波动二说当时是各擅胜场,谁也不能压服对方。
随着牛顿本人逐渐走上神坛,其创建的牛顿力学又是无往不胜,物理学家们大多对他骇然敬服,微粒说占稳了统治地位也是意料中的事情,天才如牛顿何尝犯过错误?
又过了将近一个世纪,在1800年英国物理学家托马斯·杨竟然冒天下之大不韪,旧案重提,在提交到皇家学会的论文《在声和光方面的实验和问题》中指出光和声音一样都是纵波,最显著的例证便是二者都有干涉现象。
托马斯·杨的双缝干涉实验装置并不复杂,却极有说服力,任何支持微粒说的人看到了都不免目瞪口呆。托马斯一人舌战群儒,竟是丝毫无退缩之意。只是反方势力过强,托马斯也是心知肚明,他曾经花了好几年工夫写就的《关于自然哲学和机械工艺的演讲》一书来支持波动观点,正如他自己坦然承认一样,"总共也只卖出去一本"。
与此同时法国的另一位光学家菲涅尔在对杨氏实验毫不知情的情况下,当把一根又细又直的线放在点光源的光束中,意外地在屏上观察到彩色条纹。菲涅尔马上联想到当年惠更斯的理论,引入了波前和子波的假说,成功地推导出光的衍射规律,为波动说找到了另一半证据。
但波动说在法国的命运相比英国也未见好到哪里去,菲涅尔提交的报告落到拉普拉斯、泊松这些一等一的数学物理大师手中。菲涅尔当时的数学功底尚浅,泊松等人立时找到了不少缺陷,接着就将原稿退回,也不管其中物理思想的是非。
菲涅尔毫不气馁,他将数学上大大改进之后静待时机。在1818年,法国科学院举办了一次规模空前的科学竞赛,题目是如何用精确的实验来确定光线的衍射效应。菲涅尔将更新后的稿件寄出,当真不是冤家不碰头,该次评委会的主席又是泊松。
不过这一次菲涅尔的数学上实在无懈可击,泊松大为踌躇之余,对菲涅尔却也是刮目相看。一夜长考之后,泊松在假设承认菲涅尔衍射理论的情况下,居然推导出在一个圆盘的衍射花样的中心应该出现亮斑。他大笑着掷下笔从坐椅中直起身来,"怎么会有此等荒唐的事情,一个圆盘映在墙上的影子中心居然是个亮斑?"
泊松的笑声未消,实验方面传来的消息把他惊得半晌说不出话来,确实在影子中心观察到了亮斑!当时那些久负盛名的光学家们都不免暗叫惭愧,如此重要的现象任由眼边溜走达百余年之久,未免太也说不过去。
托马斯的干涉,菲涅尔的衍射,泊松的亮斑都使人们意识到波动说的正确性,紧跟着光的偏振,双折射,旋光等现象都找到了令人信服的解释,波动说更是被确认无疑了。
支持微粒说的人一下子成了少数派,但他们的反诘也是咄咄逼人。我们都知道波的传播都是需要媒质的,声波借助的是空气,水波的媒质就是水,但光线能从无穷远的恒星传过来,媒质又是什么呢?
波动说的支持者认定是一种充斥于宇宙空间的以太在起作用,可是这种以太的性质也太过离奇,它应该是一种能产生切向力的胶体,偏偏弹性模量比钢还要大,究竟是怎样的波才能传输在这样的媒质中呢?
这个谜团一直到电磁波理论出现之后才被揭开。迈克斯韦生前曾深入研究过电磁波,一个惊人的预言便是电磁波传播的速度和光完全一样,每秒30万公里。他只差就没说出口,光就是电磁波!
当时电磁波本身是否存在还是个问题,人们也没有在意,但当电磁波存在的消息被证实之后,人人都是恍然大悟,光本身就是电磁波,电磁波也有诸如折射,反射,衍射,干涉,偏振等与光一致的现象。
光是电磁波的消息传出,物理学家们各个喜形于色。最后这道谜题的解出不但为波动说和粒子说最终定案,而且标志着经典力学已经到完美无及的地步了。众人都是一般心思:打开香槟痛饮一番,我们物理学家的使命到底是完成了!
连英国皇家学会会长汤姆逊先生都放出话来:"力,热,电,光物理学的四大根基已经稳稳地扎牢,上帝的奥秘我们全然知晓,现在我们的任务应该转到具体而细致的技术工作上来,物理学本身也会由于丧失新奇性而味同嚼蜡。"
但真的就这样完了么?
早在1888年赫兹就观察到紫外线照射到金属上时,会令金属发射出带电粒子,汤姆逊等人又证实这种带电粒子便是电子,是称光电效应。但依照光的电磁波理论,却是无论如何也说明不了光如何具有如此的能量将电子打将出来,而整个作用时间又何以短得不可思议。
波动说隐然又被蒙上一层阴影,倒是废弃已久的微粒说可以很好地自圆其说。何况电磁波本身还有未解决的问题,诸如黑体辐射中的紫外发散,就令第一等的专家也是一筹莫展。
更要命的危机是以太怎么也找不到!
人们时空观自牛顿以来就无有丝毫变更,宇宙中存有一个绝对静止的空间,任何其他参考系和它对照才能判断是惯性系或者非惯性系。电磁波的存在则认定宇宙中充斥的以太便是和这个绝对空间连绑在一起的,我们只需测得地球相对于以太的运动,便可探知地球相对于那个绝对空间究竟是怎样的运动情形。
这在当时被认为是物理学中的最后一件盛事,而且由于迈克尔逊干涉仪的发明大大增强了人们的信心,这种新型的光学仪器测量精度之高亘古未见。
然而精度愈高,测量的结果愈是令人寒心不已,无论怎么都丝毫感测不到地球相对以太的运动,换句话说,以太也好,绝对空间也罢,都只怕是幻梦一场。一些有识之士在漫天的叫好声中却开始冷汗涔涔,这座经典物理的大厦看似威风凛凛,富丽堂皇,实则地基处就存有极大的缺陷,弄不好千年基业一朝便会灰飞烟灭。
此时,历史的车轮已经缓缓驶入了二十世纪。